金属氧化物/碳钠离子电池复合负极材料的制备与电化学性能研究

摘要

随着化石燃料储量耗竭与环境问题日益严峻，发展绿色能源体系变得尤为重要。在诸多体系中，锂离子电池因能量密度高，循环寿命长等优点被广泛应用于社会的方方面面。但是，锂资源的短缺性与分布不均匀性限制了锂离子电池在规模化储能领域的应用。钠离子电池与锂离子电池性质相似，同时钠资源储量丰富、成本低廉，因此其在规模化储能领域拥有更大优势。同锂离子电池一样，优良的负极材料对钠离子电池性能影响重大。在过渡金属氧化物类负极材料中，氧化铁理论容量高、价格低廉且环境友好，具有巨大发展潜力。然而，氧化铁的剧烈体积变化与较差的导电性制约着氧化铁材料的发展，阻碍着其在钠离子电池负极材料领域的应用。基于此背景，本文合成了氧化铁与石墨烯的新型复合负极材料。
　　(1)实验通过改良的Hummers法合成氧化石墨烯，之后采用水热法一步制备了Fe2O3/RGO复合材料，研究其储钠性能。经过表征与研究，发现Fe2O3/RGO复合材料中Fe2O3颗粒呈现空心椭球状结构，均匀负载在石墨烯片层上。Fe2O3/RGO复合材料的储钠性能相比纯Fe2O3得到较大提升。其中FRG-3在电流密度50mA·g-1下循环50次后容量保留仍有224.8mA h·g-1，库伦效率高达约98％，倍率性能也较为优异。
　　(2)在合成了Fe2O3/RGO复合材料之后，实验将氮元素引入石墨烯中，通过水热法一步制备Fe2O3/N-GNS复合材料。研究表明，复合材料结构呈现三维网络状，氧化铁颗粒包覆均匀。在氮掺杂作用下，石墨烯中三种不同类型氮原子既增强了材料的导电性，又改善了材料的储钠容量。在电流密度50mA·g-1下循环50次后，Fe2O3/N-GNS复合材料容量仍保持有306mAh·g-1。此外，Fe2O3/N-GNS也有着良好的倍率性能，在500mA·g-1与1000mA·g-1大电流密度下容量分别保持有178mAh·g-1以及132mAh·g-1，展现了优良的储钠性能。
　　(3)实验首先将前章合成的氧化石墨烯通过热膨胀法制备成石墨烯，然后在其基础上采用溶剂热法一步合成Fe2O3/GNS复合材料，研究其储钠性能。结果表明，Fe2O3/GNS复合材料中Fe2O3颗粒形状不规则。其中FGN-3拥有最高的初始充放电容量，分别为661.7mAh·g-1与386.0mAh·g-1，但容量衰减过快。FGN-1的循环稳定性最好，在循环50次后比容量保持223.4mAh·g-1。在倍率性能上，Fe2O3/GNS复合材料表现并不理想，还有待提高。
　　(4)在合成了Fe2O3/GNS复合材料之后，实验采用纳米涂敷法制备了Fe2O3@GNS复合材料。实验将Fe2O3颗粒附着在石墨烯片层上，Fe2O3颗粒结晶度较低，接近无定形态。此种形态下的Fe2O3颗粒既体积膨胀更小，又可以增加钠离子传输通道。石墨烯构成的导电网络也可以改善电荷传输与离子迁移速率，缓冲体积变化。因此Fe2O3@GNS复合材料展现了优异的储钠性能。结果显示，在电流密度50mA·g-1下，循环100次后比容量仍有357mA·g-1。在倍率性能方面，Fe2O3@GNS复合材料在500mA·g-1与1000mA·g-1下，比容量分别保持149.4mAh·g-1与120.6mAh·g-1。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 引言

1．2 钠离子电池概述

1．2．1 钠离子电池的发展

1．2．2 钠离子电池工作机理

1．3 钠离子电池负极材料

1．3．1 碳基材料

1．3．2 合金类材料

1．3．3 金属氧化物类材料

1．3．4 其他材料

1．4 氧化铁钠离子电池负极材料研究进展

1．5 论文的选题意义与研究内容

1．5．1 论文选题意义

1．5．2 论文研究内容

第二章 实验用品、设备及方法

2．1 实验药品与设备

2．1．1 实验药品

2．1．2 实验设备

2．2 复合负极材料的制备

2．2．1 石墨烯的制备

2．2．2 Fe2O3／RGO复合材料的制备

2．2．5 Fe2O3@GNS复合材料的制备

2．3 材料的表征方法

2．3．4 X射线光电子能谱

2．3．5 热重分析

2．4 材料的电化学性能测试

2．4．1 电极片的制备与电池的组装

2．4．2 恒流充放电测试

2．4．3 循环伏安测试

2．4．4 交流阻抗测试

第三章 Fe2O3／N-GNS复合负极材料制备与储钠性能研究

3．1 引言

3．2 Fe2O3／RGO复合材料研究

3．2．1 氧化石墨烯的制备

3．2．3 Fe2Oa／RGO复合材料的结构表征

3．2．4 Fe2O3／RGO复合材料的储钠性能

3．3 Fe2O3／N-GNS复合材料研究

3．3．2 Fe2O3／N-GNS复合材料的结果表征

3．3．3 Fe2O3／N-GNS复合材料的储钠性能

3．4 Fe2O3／N-GNS与Fe2O3／RGO复合材料的储钠性能比较

3．5 本章小结

第四章 Fe2O3／GNS复合负极材料制备与储钠性能研究

4．1 引言

4．2．2 Fe2O3／GNS复合材料的结构表征

4．2．3 Fe2O3／GNS复合材料的储钠性能

4．3 Fe2O3@GNS复合材料研究

4．3．2 Fe2O3@GNS复合材料的结构表征

4．3．3 Fe2O3@GNS复合材料的储钠性能

4．4 Fe2O3／GNS与Fe2O3@GNS复合材料比较

4．5 本章小结

第五章 结论

参考文献

致谢

研究成果及发表的学术论文

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